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Gedanken zur frage der hydrodynamisch erregten schwingungen des propellers und der wellenleitung

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Academic year: 2021

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(1)

Lab.

v.

Scheepsboullmde

Tech nische Hogeschool

Sonderabdruck aus

Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesellschaft

Delft

57. Band 1963

Springer -Verlag. Berlin Gottingen/Heidelberg Printed in Germany

H. Schw a necke

Gedanken zur Frage der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers

and der Wellenleitung

Nicht im Handel

(2)

Gedanken zur Frage der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers

und der Wellenleitung

Von Dr:-Ing. II. Seim aneeke, Hamburg

1. Einleitung

Zahlreiche im Laufe .der letzten Jahre veroffentlichte Arbeiten behandeln die Frage der infolge

ungleichformiger Geschwindigkeitsverteilung in der Propellerebene hydrodynamisch erregten

Schwingungen in Schiffs-Antriebsanlagen. Die Grfinde fir die zum Teil sehr intensive Bearbeitung dieser Frage liegen in Getriebeschaden, Scha,den in den Lagern der Schraubenwellen oder in

un-gewohnlich starken Erschritterungen im Hinterschiffsbereich, die sich wiederholt auf Schiffs-neubauten zeigten. Diese unbeabsichtigten und in hochstem MaBe unerwirmschten Ergebnisse

wurden als Folgeerscheinungen von Propellerschwingungen erkannt, als deren Ursachen wiederum die instationaren Stromungsvorgange an den Propellerflrigeln anzusehen sind.

Zunrichst konzentrierten sich die Untersuchungen in der Hauptsache auf die Langskraft- und

die Drehnroment-Erregungen am Propeller. Erste Angaben irber die GroBen dieser Erregerlasten, ihre Abhangigkeiten von den Fliigelzahlen der verwendeten Propeller und von den Wellenlangen

der Storungen in der Anstromung konnten bereits mit quasistationaren theoretischen Ansatzen gemacht werden (z. B. 1[1]1). Man bediente sich hierzu des Propeller-Freifahrt-Diagramms und der Asia lkomponenten der nominellen Geschwindigkeit auf einem Radius der Propellerebene. Es zeigte sich jedoch bald, daB die auf diesem Wege ermittelten Grof3en der Erregerlasten nur frir qualitative Betrachtungen brauchbar waren. Infolge der rberbewertung des Einflusses der

hoheren harmonischen Komponenten ergaben sich im allgemeinen zu groBe Erregerlasten.

Anga-ben iiber die Gr.ril.ien der Phasenverschiebungen zwischen Storungs- und Kraftverlauf frir die einzelnen harmonischen Komponenten konnten nicht gemacht werden. Diese Mangel wurden zum groBen Tell durch Einfiihren einer vereinfachten instationaren Betracirtungsweise auf der

Grundlage der eberren Theorie der instationaren TragfIrigelstromung behoben (z. B. [2]). MesSun-gen der Langskraft- und der Drehmoment-ErregunMesSun-gen, die mit den mittlerweile neu entwickelten MeBeinrichtungen an Modellpropellern vorgenommen wurden, bestatigten im groBen und ganzen

die Richtigkeit der vereinfaehten instationaren Theorie (z. B. [2]).

Zur vollstancligen Charakterisierung der Eigenschaften des aus clern Propeller, der 'Welle und weiteren. Teilen der Antriebsanlage bestehenden schwingungsfahigen Systems werden neben den

Erregerlasten auch die am Propeller im schwingenden Zustand wirksamen hydrodynamischen TragheitsgroBen, die Dampfungen sowie die eventuell auftretenden hydrodynaraischen

Koppel-groBen benotigt. Die sogenannten hydrodynamischen Massen des Propellers wurden zunrichst auf

der Grundlage der Stromung urn einen Zylinder theoretisch bestimmt (z. B. [3]). Zur Ermittlung der Dampfungen wahlte man eine quasistationare Betrachtungsweise unter Berricksichtigung

des Freifahrt-Diagramms (z. B. [4]). Angaben fiber mogliche Kopplungen fehlten zunachst

Auch hier ergaben sich erst mit Hilfe der bereits erwahnten vereinfachten instationaren Ansatze

physikalisch sinnvolle Ausdrficke fur die Tragheits-, Dampfungs- und die KoppelgroBen (z. B. [5])..

Wegen der erheblichen meStechnischen Schwierigkeiten bei der experimentellen Bestimmung

der an schwingen den Propellern bei endlichem Fortschrittsgrad auftretenden hydrodynamischen

Kraftwirkungen konnte die Zulassigkeit der theoretischen Ansatze erst in einigen Sonderfallen

durch Messungen gepriift werden (z. B. [6]).

Genauere theoretisehe Ergebnisse sowohl hinsichtlich der hydrodynamischen Erregerlasten als

auch hinsichtlich der hydrodynamischen Tragheits-, Dampfungs- und Koppelgrollen sind zu

erwarten, wenn die raumlich instationare Stromung an den Propellerfliigeln, weitergehend als es.

bisher der Fall war, berricksichtigt wird. Hierzu ist die in ihren Ansatzen bereits vorliegende Theorie des Propellers in instationarer Stromung auf der Grundlage schraubenformiger Wirbel-flachen [7, 8] in eine fur den hier betrachteten Fall geeignete Form zu bringen. Es hat sich aber

gezeigt, daB auch die vereinfachten instationaren Ansatze zu technisch brauchbaren Ergebnissen fiihren [9] Eine weitere Verfolgung des bisher ,eingeschlagenen Weges diirfte daher im Interesse einer Vertiefung der Erkenntnisse zulassig sein.

Eine Zusammenstellung des Schrifttums befindet sich im Abschnitt S. Es sei hier bemerkt, da13 im Rahmen der einleitenden Betrachtungen nur diejenigen Arbeiten erwiihnt werden, die nach Ansicht des Beriehters charakteristisch fur den erreichten Entwicklungsstand sind.

_ v011ig.

(3)

GedankenzurFrage der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers und der Wellenleituag 253

Die Frage nach der rbertragbarkeit der Modellversuch ermittelten hyclrodynamischen

Erregerlasten auf die yerhaltnisse in der .Grof3aus.fiihrung ist noch nicht in ausreichendem 1VIaBe

geklart. Wegen der ,unterschiedlichen Reynoldszahlen sind die Grenzschichtdicken und darnit

auch die Geschwindigkeitsverteilungen in den Propellerebenen nicht modelliihnlich. Es kann daher als sicher angenommen werden, daB mach die fiir die Grade der Erregerlasten maBgeblichen

holle-ren harmonischen Komponenten der Geschwindigkeitsverteilung einem Mal3stabeinfluB

unter-liegen. Hier sind noch eingehende Untersuchungen notwendig.

Infolge der ungleichfOrmigen Geschwindigkeitsverteilung in der Propellerebene treten zusatz-,

lich zu den bereits beschriebenen Langskraft- und Drehmoment-Erregungen auch instationare Biegemomente und Querkriifte am Propeller auf. Zu ihrer theoretischen Bestimmung benutzte man zunachst ebenfalls quasistationare Verfahren auf der Grundlage der Axialkomponenten der nominellen Geschwindigkeit in der Propellerebene und des Freifahrt-Diagramms ,(z. B. [./OD. Erst in letzter Zeit ging man dazu iiber, auch hied& die vereinfachte instationare

Betrachtungs-weise einzufiihren [14

Die Ergebnisse der 1VIessungen, iiber die F. M. Lewis [19] vor der Society of Naval Architects

and Marine Engineers in New York berichtete, zeigen z. T. eine hervorragende rbereinstim-mung mit den Voraussagen der vereinfachten Theorie, deren grundsatzliche Anwendbarkeit, ,damit erneut unter Beweis gestellt sein diirfte.

Als sehr wesentliches Ergebnis der Untersuchungen der instationaren Biegemomente und

Querkrafte kann die Tatsache angesehen werden, daB diese Erregerlasten durch andere

harmoni-sche Komponenten der Stromungsungleichformigkeit hervorgerufen werden als die

Langskraft-und die Drehmoment-Erregungen, Eine hydrodynamisclie Kopplung beider 1Gruppen von

Erre-gerlasten besteht Jailer nicht.

2. Quer- urn! Nielisehwingungen des Propellers

Die am Propeller wirksamen instationaren Biegemomente und Querkrafte werden von ihm auf

(lie Welle und von dieser auf die Lager und die Hinterschiffsverba,nde iibertragen. Infolge ihrer

Elastizitat werden diese Bauteile zu raumlichen Schwingungen angeregt,, wodurch der Propeller

Abschn. 9L1-9.4.

Abb. 1.Sehetnatisette Darstellung der hydrodynamiseh erregten Schwingungen des Propellers,

wiederum erzwungene Quer- und Nickschwingungen ausfiihrt. Zur Analyse dieses

Schwingungs-zustandes miissen die hydrodynamischen Tragheits-, Dampfungs- undKoppelgroBen fill'

Quer-and Nickschwingungen des Propellers in der Horizontal- und der Vertikalebene bekannt sein. Win

im Fall der Langs- und Drelischwingungen konnen auch hier Naherungsbeziehungen mit Hilfe

der vereinfachten instationaten Betrachtungsweise abgeleitet werdenl. Es zeigt sich, da3

hydro-dynamische Kopplungen nur innerhalb der Quer- und Nickschwingungen auftreten. Vom

Stand-punkt der Hydrodynamik aus gesehen ist daher eine getrennte Behandlung der Langs. und

g9rd/w8g. der erregenclen

harroomschen Korn anem`eSchwingungs"richly/7g 1 hydrodynamisthe IfraRwirktmg am Pmpeller

er(t) 111,r(1) R1(i) I NyW P(t) h4(1) 1 x

/

NM

'CO

i

.04

Vorzeichen M7 frreis: 1 , hydrod.r.Tragh.(aben) hydrody/70:impfig(wilen) 'V 1 y

\o"'411

, 711 CO %COI 1 1 11 111:,

i

6 I i ,,... .6.,, 1 Vgl. inz

(4)

254 Gedanken zur Frage der hydrodynamisch erregten1Schwingungen des Propellers und der Wellenleitung

Drehschwingungen einerseits und der Quer- und Nickschwingungen andererseits zulassig. Dieses

Ergebnis ist auch far den Fall der mechanisch erregten Schwingungen der Wellenleitung von Bedeutung. Zum Beispiel kann infolge einer mechanisch erregten Drehschwingung der

Wellen-leitung bei Motor-direkt-Anlagen) nur eine hydrodynamisch gekoppelte Langsschwin-gung aber keine hydrodynamisch gekoppelte Quer- oder BiegeschwinLangsschwin-gung in der Welle auftretenl. Eine schematische Darstellung des Zusammenhanges zwischen den Erregungen, den

Schwingun-gen des Propellers in allen sechs

heitsgraden und den Kopplungen

/ii

zeigt Abb. 1. Die hydrodynamischen

(ca-0)' Kopplungen der einzelnen

Freiheits-(=rade sind durch Pfeile

crekennzeich-net. Die Vorzeichen in den dazu

ge-s,z hiirigen Kreisen geben an, ob die,

Kopplungen im Sinne des in Abb.

eingefiihrten Koordinatensystems

positiv oder negativ

einzusetzen

sind. Dabei sind die oberen Vorzei-chen den hydrodynamisVorzei-chen Trag-heitsgraen und the unteren Vorzei-chen den hydrodynamisVorzei-chen

Damp-( ) fungen zugeordnet. Wie aus Abb. 1

zu ersehen ist, sind bei den

Langs-und Drehschwingungen nicht nur die

Tragheitskopplungen, sondem auch

die Dampfungskopplungen negativ [12]. Schwingungsrechnungen fiir ausgeffihrte Anlagen

haben jedoch gezeigt, daB im allgemeinen die Systeme auch bei negativen Dampfungskopp-lungen stabile Schwingungen ausfiihren. Wie die Darstellung in Abb. 1 weiterhin zeigt, hat eine

erzwungene Nickschwingung des Propellers in einer Ebene eine Nickschwingung in der dazu senk- I

rechten Ebene sowie Querschwingungen in beiden Ebenen zur Folge. Eine erzwungene Quer-schwingung des Propellers ruft dagegen primar nur eine NickQuer-schwingung in der gleichen Ebene,

hervor. Grundsatzlich ist jedoch zu bemerken, daB die Kopplungen ,nur in den

Resonanz-bereichen der entsprechenden Freiheitsgrade von Bedeutung sind. 3. Hydrodynamische Koeffizienten

Die hydrodynamischen. 'Tragheits- und Dampfungswirkungen des Propellers kiihnen fiir den

bier betrachteten Fall der harmonisch periodischen Bewegungen in der folgenden allgemeinen

Form angegeben werden :

H ydrodynamische Treigheitswirkung

Abb. 2. Propeller im echiffsfesten Koordinatensytitem.

Der Aufhau der hydrodynamischen Koeffizienten ah(ik) und bh (ik) ist aus den folgenden Tabellen

,ersichtlich. Es treten die Dichte des Arbeitsmittels, kennzeichnende GroBen des Propellers, im

Es sei bier ervvahnt, daB these Aussagen nur im Rahmen der allgemeinen Naherung und der damit verbula7, ,denen Linearisierung der Vorgange ,Galtigkeit haben.

Ak=

H ydrodynamische Bh = ah (xx) ah(ro 0 an () 01 0 ah Y) 0 a,Qfr> 01 0 10 0 Diimplungswirkung bh(xx) bh(xT) 0 0 0 0

b()

0, 0 bh(3/114. 0 .0'. 0 '0 0 0 0 (1/V1) a/C! ah(skik) ah(0) ah(8)1 0 0 bh(0)1 bh(01') bh (4') bh(*) 0 0' 0 ah(zo ,ah(8z), 0 0 0 0 bh (zz) bh(azX 0 0 ah (Y ah(0.0 ah(z8) oh (80 0, 0 bh.(v6) b,1(k) bdi (zd)

N()

9.5 X 9 (moglich Frei-2 ) 0 0 0

(5)

Gedanken zur Frage der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers und der Wellenleitung 255

Fall der Dampfungen die Drehzahl-Kreisfrequenz sowie Zahlenwerte auf, die sich auf Grund der theoretischen Ansatze, der gewahlten Naherungen und durch Integration der vom Propellerradius

abhangigen Faktoren der verwendeten Ausdracke ergeben (Abschn. 9 u. [13]). Gegebenenfalls

konnen these Zahlenwerte durch verfeinerte theoretische Ansatze verbessert werden. Der Naben-radius wurde zu r0 =- 0,25 R angenommen. Es ist dabei zu beriicksichtigen, daB die in den Tabel-len. zusammengestellten Ausdrucke Naherungsbeziehungen sind, die u. a. mit Hilfe von

asympto-tischen Entwicklungen der instationaren Funktionen abgeleitet wurden. Eine Darstellung in der

angegebenen und verhaltnismaBig einfachen Form ist auch nur dann moglich, wenn die Frequenz der Schwingung groB gegeniiber der Drehzahl ist. Fiir die liblichen Propeller bzw. Wellenleitungen

diirfte these Voraussetzung jedoch in geniigendem Mae zutreffen.

Tabelle 1. Hydrodynamische Tragheitskoeffizienten aa(ik)

ah(xx) e D3 n ( Fa)20 2812 kg 82 Z F ah(T9') (1.1D)2 (TN2 0,0703 kp 82 m e D4 H (Far aa(xT) ah(q x) Z 0,1406 kp 82 ah = ah(z)

a,h(Yifr) = ah(z8) = ah(0/) = ah(4)

ah(58) = ah(z0 ah(08) = ah(80 bh(xxl bh(9V) bh(.9) = bh(mz) bh(0.0 bh(88) bh(01) bh(*) bh(6M e2;1): (pH ) 2 (#170,6363

D4 HFar

z D kF 0,0703

010 H 'Far

0,0408 z2

D F

9.1357c (Far F 0,0123 e Dz:n (F;)3 0,0030

Tabelle 2. Hydrodynamische Dampfungskoeffizienten bh(11')

bh(1121) .= bh(zz) bh(0) = b(z8) bh(V,Y) = bh(8z) bh(118) Fa e D. zr-y co 0,0925 (HD)2 FF' co 0,0231 H Fa e D4 D co 0,0463 QD3 (H ). Fa D co 0,1536 H Fa 9 D4 7D- F a) 0,0231 1)4 HFa).

D kr

co 0,0981 z Fa 0 D5 n co 0,0053 9 D521 (Far k a)0,0183 z F e D4 H (Far z

DkF

co 0,1128 9D5rt IFar a)0,0186 z F kp s2 m-i kp 82 kp 82 kp s kp s m kp s kp s m-' kp kp s kp 8 m kp s m kp s kp s m kp 82 m kp 32 m = ah(6,6) D5 =

(6)

256 Gedanken int Frage der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers und der: Wellenleitung Eine Vorstellung von der Grollenordnung der hydrody-namischen Tragheitskoeffizienten geben die folgenden Zahlen fiir einen 4-Fliigel-Propeller mit 47% Flachenverhaltnis und 87% Steigungsverhaltnis, wobei als Bezugs-groBen die entsprechenden Koeffizienten des im luftleeren Raurn schwingenden Propellers gewahlt wurden :

Langsschwingung ai,(xx//a(xx> = 0,55 Drehschwingung : ak(qM len') = 0,27

Querschwingung as010 Y) = ah ,zz, (,zz, 0,17 Nickschwingung : ah(ww) la(v =ah(8 8)1a(8 8) = 1,23.

4. Verallgemeinerte Darstellung des Gesehwindigkeitsfeldes in der Propeller-Ebene In der Mehrzahl der bisher zu dem hier betrachteten Thema veroffentlichten Arbeiten vorausgesetzt, daB die Stromung in bezug auf den drehenden Propeller periodisch instationar, in bezug auf den Schiffskorper jedoch stationar ist. Fiir diesen Fall gelten bekanntlich in einem schiffsfesten Koordinatensystem Iv mit dem Ursprung in der Propellermitte die folgenden Dar-stellungen der Axial- mid der Umfangskomponenten der Geschwindigkeit auf dem Radius F

r IR der Propellerebenel ux(F, 9))

1+

( Aux (7) ) Auxn cos (?t49 6xn(F) uo M 71=1. und u9, (F, (p) oo Au, (F)

= cos (nT-I- n IV)). tto

Im vorliegenden Teil der Arbeit soil nun, vorerst qualitativ, der Fall betrachtet werden, in dem

die StrOmung auch in bezug auf den Schiffskorper periodisch instationar 1st. Ein derartiger StrOmungszustand liegt vor u. a. bei der Fahrt eines Schiffes im Seegang, helm Auftreten von

periodischen AblOsungsvorgangen im Bereich der Propelleranstromung oder bei

Menrschrauben-Anlagen, bei denen die Propeller nicht in einer Ebene liegen und die Moglichkeit einer gegen-seitigen hydrodynamischen Beeinflussung gegeben ist. Firr diesen Stromungszustand sind (lie Grundstromung und die Amplituden der harmonischen Komponenten in GE. (4.1) nicht mehr

unabhangig von der Winkelkoordinate, sondern sind in bestimmten Bereichen von .79 periodisch von der Zeit abhangig. Dabei kann ohne wesentliche Einschrankung der Allgemeingriltigkeit ange-nommen werden, daB die Zeitabhangigkeit frir alle Komponenten gleich ist, und daB keine rad iale

Abliangigkeit der Zeitfunktion besteht. Die Axial- und die Urnfangskomponenten der Stromung

kOnnen dann in der Form

ttx(F, ux(F, 9') (1 + tdo.(F) + d k () COS (k9, + xk (F))] Us k=1 rind UT (F, 92, t) UT(F, Us, Us angegehen Werden.

Da zunachst nur qualitative Uberlegungen angestellt werden sollen, 1st es ausreichend, nut die Axialkomponenten der StrOmung zu betrachten. Der vollstandige Ausdruck hierfiir lautet

( 1 zlyz,(F)\ Gluz (F),

cos Ow (F)) ) X

\ 210 M n=1 uo,

00

X (1+ { d0( + l', 04(F) cos (IcT +7 5 ' xkVI)] I(CO)

Das in dieser Beziehung enthaltene Surnmenprodukt kann in folgender Weise dargestellt werden

Bezeichntmgen vg1L Abschn.

1 + [ea(r + Zek (r)cos (bp + trk.(r))1,1 (60)

1.

(4,0'

(4,3)

(4,4a) c'sg Au" (F)I cos(n97

co.

6xn(F))

E

dk (F)cos(kco+ 0.xk (0)

k=1

n=1 140

0,5 __, dk - Altxk(F) + {dux - k * (F1

Vik(n- (F) cosng, dk(n- (F) sinnv,)

Uth n=1

k= 1

n 1(F)

+Aux tio k-.(n+k):(F) cos,nq)

+

1,0+ (F) sinnq)

(al)) (4;2) = wird

+

(F) Uo U0 f q9) k=1 In - o +

z

{ ( } 1 7.

(7)

Gedanken zur Frage der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers mid der Wellenleitung 257

In der bier gewahlten Bezeichnungsweise enthalten die einfach iiberstrichenen Faktoren den cosinus des jeweils resultierenden Phasenwinkels und die doppelt tiberstrichenen Faktoren den entsprechenden sinus. Der Index Ink+01 sagt aus, daB der Index stets positiv zu nehmen

ist und daB das Glied n = k in Gl. (4,4a) verschwindet. Eine spezielle Form des Ausdrucks (4,4a), die fiir die beabsichtigten Untersuchungen vollig ausreichend ist, ergibt sich aus (4,3) bzw. (4,4a) durch Nullsetzen der Phasenwinkel:

Auxn (F) cos nq E dk (F) cos kg, n=1 U0 k = 0,5 E dk (F)1xk k 39, ( Aux 1 n 71 * p1 V) Au x. + k (7 k=1 u0 n =1 Uo + 7) ) uo cos n,q3] co

4u(F)

Mit (4,4b) folgt aus (4,3) die spezielle Darstellung der Axialkomponenten der

Stromungsge-schwindigkeit auf dem Radius F der Propellerebene

ux (F, 9), t) (1+ t Aux (F)

) (1 + [do (F) ±

1

dk (7') cos 41f (at)) +

uo

\ ?co )m k = 1

"° Au (F)

± (1 + do (F) f (at)) E xn cos rap +

n=1 Uo

in*01

± 0,5 E dk(F){Auxk

Aux k

(F) (4,5) k=1 Uo n =1 Auxxi k(F) cos ncv f (crt). uo

Als Erregungen des Propellers in Langs- und Umfangsrichtung sind bekanntlich nur diejenigen harmonischen StrOmungskomponenten wirksam, fiir die n mz (bzw. k =- mz) ist. Hierbei ist m eine ganze Zahl und z die Fliigelzahl des Propellers. Zusatzlich als Erregungen wirken alle mit der

als periodisch vorausgesetzten Zeitfunktion multiplizierten Komponenten. Aus GI. (4,5) folgt damit die fiir die Erregung von Lungs- und Drehschwingungen des Propellers in Bgebliche

Ge-schwincligkeitsverteilungl.

t ux (F, 9), t) Aux mz(F)

cos mq9+1 (1 + ( Aux (7) )do (F)

tk, Erregung m UO U0 Jul rluxk °N-9, + 0,5 E (d k (F) (F) [2 1 + (F) lc =1 Uo mz = 1 dk(o(duximz ._:*01(F) k(F) ) 31) d (F) k =wiz (4,6)

1 Sinngernafte Betrachtungen fiihren zu den Erregungen fur Quer- und Nickschwingungen.

17 .Talirb. STG. Bd. 57

(4,4b)

Aux niz(F)

± 2 do (F) cosmz7,1f (at).

Der bier verwendete Index k =- mz gibt an, daB das betreffende Glied nur dann auftritt, wenn

k -= mz ist.

Der allgemeine Ausdruck fiir die hydrodynamischen Erregerlasten bei stationarer Stromung

beziiglich des Schiffskorpers kann nach [13] in folgender Form angegeben werden

1

K (t) = O E exp (i m z v t) f (v (17), 1 (F), /3/ (F), m z (F), Au (F)) dF. (4,7)

M =1 Fo

1st die Stromung in bezug auf das Schiff periodisch instationar, so gilt nach den im bisherigen

Verlauf dieses Abschnittes angestellten nberlegungen

K (t) = K (t) 0K! (at) f f (v (F), 1 (F), (F), ,u (F), (Jux(F))m, duxk (F), d, (F), dk (17)) dF

ro

co 1

C KE exp(im z v t) f (at) f I (v (F), 1 (F) /3i (F), m z p (F), (F),

m=1 (4,8a) x MZ - k * 0 (F), 47,x mz + iu(r), d0 (F), dk (F)) (F) =1 + (

(8)

258 Gedanken .zur Frage der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers Und der Wellenleitung

Per Aufbau dieser Beziehung zeigt, daB such bei periodisch instationarer Stromung im Hinter!. schiffsbereich hydrodynamische Erregerlasten auftreten, deren Frequenz wie im stationaren Fall gleich dem Produkt aus Propellerdrehzahl und -fliigelzahl bzw. gleich einem Vielfachen theses Produktes ist. Zusatzlich zu diesen Erregungen treten Erregerlasten auf, deren Frequenz dem zeitlichen Verlauf der periodisch instationaren Strornung im Hinterschiffsbereich entspricht. Weiterhin tritt eine Gruppe von hydrodynamischen Erregungen auf, deren Zeitfunktion durch berlagerung der Zeitabhangigkeiten der beiden zuerst genannten Erregerlastgruppen entstehti Far den Sonderfall f (al) = A cos at ergibt sich aus (4,8a)

(t) 0K {F(2)' A cos' at + -17[F2lexp (i m z v t), 0,5Ffg A (exp Ki [rn z v t) ex-p firm z v (4,8b

ra=1

wenn anstelle der Integralausdriicke in (4,8a) die Abkiirzungen F(2) und F(,,11 gesetzt

werden. Diese Form der resultierenden Erregerlasten lal3t erkennen, dal3 z. B. bei Mehrschrauben-schiffen, bei denen die Propeller nicht in einer Ebene angeordnet sind, die weiter hinten liegenden Propeller zusatzlich sowohl in den Frequenzen erregt werden konnen, die sich aus den Produkten ausi

Drehzahl und Flfigelzahl der vorderen Propeller ergeben, als auch in den Frequenzen, die sich

aus den ,Summen bzw. Differenzen der Drehzahl-Flfigelzahl-Produkte der vorderen und derl

hinteren Propeller ergeben.,

5. Beispiel: Ummantelter. Propeller iin Seegang

Es werden nun die hydrodynamischen Erregungen an dem ummantelten Propeller eines Ein-schrauben-Frachtschiffes bei Fahrt im Seegang untersucht. Wegen der im allgemeinen nicht

sehr hohen Propellerbelastung kommt nur em n kurzer Mantel mit einer verhaltnismaBig geringen I

Wolbung in Frage. Die am Ort der Eintrittsebene der Ummantelung (x, = 1, vg]. Abb. 14)1

herrschende stationare Geschwindigkeitsverteilung kann dann in erster Naherung auch als stationare Geschwindigkeitsverteilung in der Propellerebene der Ummantelung (x, ---= 0) ange- i nommen werden. 1st die Anstromung des Mantels rein axial, so lautet der Ausdruck fiir die

sta-tionare axiale Geschwindigkeitsverteilung am Ort des Propellers auf dem Radius F. (v,g1. Gl. 0.1)

ffir

-0)

l ux (o, F,t) - - uo I( 1 ±(lux (F)\ 1 Aux n V) cos n9) + (1 ± (Ztur (F)) ) f (Qs, A, 1)) ,(5,1)i

u NI n=1 U0 U0 m 1

'= u,(ux(=, 1,.Fo

I

, 92) ±

i i±()) f (Cs, A, F)).

..

14o m

Das letzte Glied dieser Beziehung berficksichtigt die bei arbeitendem Propeller in der

Ummante-lung induzierte mittlere Zusatzgeschwindigkeit auf dem Radius F.. Sie ist in erster Lithe eine Funktion der Propellerbelastung und des Seitenverhaltnisses des Mantels (vgl. [14]).

Die Stromung im Hinterschiffsbereich ist in den meisten Fallen nicht symmetrisch zur Pro-pellerachse, sondern hat eine stationare Vertikalkomponente tv,, so daB such die Ummantelung nicht axial angestromt wird. Dadurch wird in ihrem Inneren eine weitere stationare

Zusatzge-schwindigkeit induziert, die von der Winkelkoordinate cc, abhangig ist [15]. Mit Hilfe der Ergeb-nisse des Abschn. 9.5 folgt fin. die Propellerebene

uz (0, F, 9)) = u, ( 1, /7, 99) i (24)0, A, o, F) cos ,(p. (5,2)

Bei Fahrt lin Seegang tritt infolge der Orbitalgeschwindigkeit und der Bewegungen des

Hinter-schiffes am Ort der Ummantelung eine mit der Begegnungsfrequenz v E veranderliche vertikale IStromungskomponente auf. Damit ergibt sich eine zusatzliche instationare Schraganstromung der Ummantelung. Ffir Wellenlangen in der Gral3enordnung der Schiffslange und far die bei Frachtschiffen z. Z. fiblichen Geschwindigkeiten und Propellerabinessungen hat der fur den

( 7'E L

2 Oto + duzm), ) eine Mantel kennzeichnende instationare Parameter reduzierte Frequenz it

Grae, die als Naherung die quasistationare Betrachtungsweise zulallt. Es 1st daher erlaubt, die fiir den Fall der stationaren Schraganstromung geltenden Ergebnisse (Abschn. 9.5) auch hier zu verwenden. Damit ergibt sich in der Propellerebene der Ummantelung die folgende instationare

induzierte Axialgeschwindigkeit

u(4, m., ip, (1, F,(p,t)'=1,.I.v( 1>: P, 9)) i (i. is, ip, A, 1:1 F) cos 92 Cos vE r 1 Bezeichnungen ye. Abschn. 7.

(5,3) 7 it = + + + OW, Ff,11,

-. = 1

(9)

=

Gedanken zur Frage der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers und der Wellenleitung 259

Mit GI. (5,1), (5.2) und (5,3) lautet der Ausdruck fiir die resultierende Axialgeschwindigkeit am Ort des ummantelten Propellers

00

ux (0, F., q), t.) (1 t Aux (F) 111( A

(+

(i.+

( Aux (F) )

± r

.

?to k /to /MY 1 ito , M n=1 x (1 + [13 (F)j + C (F) cos vE,11. cos 9,)

-wabei

1 Hierfur ist nur der von mz und k abhangige Teil der Gl.(4.6y zu betrachten und dort do (F) = do .. = 0, d, (r) = B (F) und / (at) = 1 zu setzen.

2 Abweichend von [14], wird in der vorliegenden Arbelt 1 + A anstelle von q und C s anstelle von ver-wendet.

3 B und C sind vom Radius unabhiingige Mittelwerte von B (F) und C (F). A (F) = f (Cs, A, F)

B (F) = f (wo, A, 0, F)

C = f AO, rq.

Mit Hilfe der Gl. (4,6) kann die fur die Erregung von Langs- und Drelischwingungen

maBgeb-fiche Geschwindigkeitsverteilung bei instationarer Sehraganstromung der Ummantelung

ange-geben werden. Hierzu ist in (4,6)

do 1(4 = (F) = 0

d1 (F)= C (F), =

f (crt) =-- cos v E t

zu setzen. Durch sinngemdf3e Anwendung der GI. (4,6) auf den Fall der stationaren

Schrag-anstrOmung kann auch deren Anteil an der frir die Erregung maLigeblichen Geschwindigkeits-verteilung ermittelt werdeni. Damit wird

u (0, F., t)

(1 Aux(F) )l( 1 A (F))1 H 0,5. Au' (F) (F) cos v E t +

U0 1 Erregung M U01 00 + 0,5 (2'AUX nu (F) + (B (F) + C (F) cos, v, t) X (5,5) =1. 'a° (AUXMZ - (F) dux na z (F) )) X cos m z (?), /to U0

Das in dieser Beziehung enthaltene stationare erste Glied (hat Einflul3 auf die Amplituden, s u.)

stellt die mittlere Axialgeschwindigkeit Lei arbeitendem Propeller dar. Der Faktor 1 A (A =

vom Radius unabhangiger Mittelwert von A (F)) wurde von Di ck mann und Weis singer far

zahlreiche Werte von C s und A berechnet und kann der Arbeit [1412 entnommen werden. Wegen

der erhohten mittleren Stromungsgeschwindigkeit in der Ummantelung bei praktisch unveran-(lerter GroBe der Stbrungsarnplituden tritt bei Fahrt in ruhigern Wasser die bekannte Vermin-derung der hydrodynamischen Erregerlasten an ummantelten Propellern etwa, im Verhaltn is

1/1 -I- A em.

Das zweite Glied der Beziehung (5,5) ruft langwellige Langskraft- und Drehmoinent-Erregun, gen mit der Begegnungsfrequenz hervor.

Das dritte Glied in (5,5) verursacht die bekannten von der Drehzahl und der Fliigelzahl des Propellers abhangigen Langskraft- und Drehmoment-Erregungen. Es zeigt sich, dal3 bei einer

Schraganstromung der Ummantelung nicht nur die harnionischen Komponenten des

Nachstrom-feldes von der Ordnung mz, sondem auch diejenigen von den Ordmingen mz 1 und mz 1

Beitrage zu den erregenden hydrodynamisehen Kraftwirkungen liefern. Da die mittlere stationare vertikale ,Stromungskomponente im allgemei nen klein ist, sind in der Han ptsache die instationaren Einfliisse, d. h. Seegang rind Sell iffsbewegungen, ftir die Grol3e der zusatzlichen hydrodynamischen

Erregungen von Bedeutung. Es ist daher bei Fahrt im Seegang mit einer VergroBerung der erregenden hydrodynamischen Laster) am ummantelten Propeller ,gegentiber dem

Glattwasser-zustand zu rechnen.

Die hydrodynamischen Wechsellasten am Propeller kb-linen mit den im Abschn. 4 eingeffihrten Abkinzungen in der folgenden allgemeinen Form dargestellt werden3

00

= UK {F(2) C cos vEt Z [F(mil exp m z v

+

m= 1

+ 0,5 Fn("3:z B + C (exp (i [m z v exp .(i z v + v El it)), } .1}- 45,6)

Wegen mz v > v E treten infolge der rberlagerung der Frequenzen mz v v E und mz v E

Schwebungen der Erregerlasten mit der Frequenz 2 v E auf. Die an einem ummantelten Propeller

Aux0 n cosn(p) X (5,4) U0 (F) 1) = +

+

(t)

+

(i t) { E] t) + [m . .. (F) =

(10)

Oberlagerte Storting (We/le una' Hnderschi6bewegung) I 11 I -.BegegnungsperiodeH Wechsellastt am nicht ummiIantelten Proprller (z =5)1 1-1-r I I I °JP. i 41"11`Yko , ,,,,.eld / III !I) 111 L iit, . 1 iii ,I, 1 1 IC ' 1 1 I , 'IL 'I 'I iiylityllitp,Myrrrryrrrrrrrrrerrerrefr I Zeit iPropelletvmMung

rf

4%. 1

Wechsellast am ummontelten Propeller(z;--- 5)

. i Pi I 0 1._ 1

#41

I !! ,-, _..11114W. 1

li!

1 011 1

CM, VIII V

1I , r! ' if 1 , d I 1 ' 1 1 ' II F II I ki i 1 '41111 1 , u 1 I 1 Propelloramdreliong 1 I

'errfrriftirioetrerMrt-rerfrerrrerer.-rfrreil

vy---vm.Nvvi

ober/weft Storting (We/le end HinterTschinbewegung)

BegegnungsperiodeH

Wechsellast am nkhl ummantetten Propeller (z=4)

4/s

hre I, N., A -Zei Propellet r undrehaigi .t, ,..1._ I

Wechsellast am ummantelten Propeller (4=4)

1. ril 11 l'

I 1 -7

-"

P

i A .. 1 1,, I" 1 't: \ (-\ If\ 1 -1 I

fft Ir

V V O

11)1 r

11 ' 1 I , 'I ' 1 -'0.ft r:1,1 I I 1 Pt-1 1 ; 1 Propeller-4-5-....1...),Ori ..,...M.'4.16.11,....A.o.64:1..4.1...h....,... 1 1 - --Hilinthrhil A twpo L._. t . ."111'1111! f'1/1... If t..1 /1'''1'1111"1117."---'741,1114.7k1

Abb, 3. Liingskraft-Erregniakeb.ap ummantelten uhd nicbt ummailtplten Propellern irn Seegang.

I

A

(11)

Gedanken zur Frage der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers und derWellenleitung 261

bei Fahrt im Seegang wirksamen hydrodynamischen Erregerlasten haben somit die Hauptfrequenzen v E, 2 v E und mz v (In =-- 1, 2, . ).

Fiir em n Einschrauben-Frachtschiff zeigt Abb. 3. die bei Fahrt in regelmaBigem entgegenkom-menden" Seegang (AIL = 1, hIA -= 1/37,5) sowohl an ummantelten adsauch an nicht ummantelten 4- und 5-Fliigel-Propellern wirksamen hydrodynamischen Langskraft-Erregungen. Die Messungen wurden in der HSVA an einem Modell durchgefiihrt. Die Ummanteiung hatte em n Seitenverhaltnis von der GroBe A = 0,445. Links im Bild sind die MeBergebnisse (Absolutwerte) fiir die

5-Fliigel-Propeller und rechts fiir die 4-Fliigel-5-Fliigel-Propeller dargestellt. Da die Fahrtgeschwindigkeit bei

Verwendung der 5-Fliigel-Propeller ails versuchstechnischen Griinden grOBer gewahlt wurde als

bei Verwendung der 4-Fliigel-Propeller, sind an Hand des Bildes nur qualitative Vergleiche

zwischen den Flagelzahlen zulassig. In beiden Fallen zeigt sich jedoch deutlich eine Zunahme der

Absolutwerte der hydrodynamischen Erregungen bei Anordnung einer Ummantelung. Per

unterschiedliche Charakter der Signale far beide Flagelzahlen ist auf die Hinterschiffsform zufiihren. Das. Modell h atte eine Stevenhacke, so daB im Falle eines 5-Fliigel-Propellers infolge

des Seegangseinflusses die ungiinstigen harmonischen Komponenten des Nachstromfeldes,

ins-besondere die 4. und die hier ebenfalls verhaltnismaBig groBe 16. Harmonische, zusatzlich wirksam wurden. Im Falle des 4-Fliigel-Propellers traten dagegen nur die weniger ungiinstigen.

Komponen-ten, d. s. die 3., 5., 7., usw. Harmonische, zusatzlich in Erscheinung. Die MeBergebnisse fur den

ummantelten 5-Fliigel-Propeller lassen die bereits erwahnten Schwebungen -mit der doppelten

Begegriungsfrequenz gut .erkennen.

O. Zusammenfassung

Zunachst wurde em n Vberblick ilber die bisher verwendeten Methoden zum Bestimmen der hydrodynamischen Erregerlasten am Propeller sowie der hydrodynamischen Tragheits- und

Dam pfungsgroBen des Propellers bei Langs- und Drell schwingungen gegeben. Die aufder Grundlage

der zweidimensionalen Theorie der instationaren Tragfliigelstromung abgeleiteten

Naherungs-ausdriicke filr die hydrodynamischen Tragheits- und Dampfungsgrol3en wurden fiir alle 6 Frei

heitsgrade der Propellerschwingung sowie fiir die zwischen einzelnen Freiheitsgradenauftretenden

hydrodynamischen Kopplungen angegeben. Es zeigte sich hierbei, daB die hydrodynamisch

er-regten Langs- und Drehschwingungen des Propellers einerseits und die hydrodynamisch erer-regten Quer- und Nickschwingungen des Propellers andererseits getrennt behandelt werden konnen, da der Propeller keine Kopplungen beider Arten von Schwingungen her beif iihrt_

Durch Erweiterung der Ausdriicke fiir (lie Geschwindigkeitsverteilung in der Propellerebene

aid den Fall der auch in bezug auf den Schiffskorper perioclisch instationaren Stromungkonnten erste Angaben iiber den EinfluB des Seeganges auf die am Propeller vvirksamen hydrodynamischen

Erregerlasten und nber mogliche Wechselwirkungen zwischen mehreren Propellern gemacht

werden. Insbesondere zeigte die Untersuchung von ummantelten Propellern im Seegang, daB die

hydrodynamischen Erregerlasten bei Anordnung eines Mantels u. U. vergrOBert werden, was

qualitativ durch Messiingen bestatig,t werden konnte.

7. Bezefehnungen

Rechtwinkeliges schiffsfestes Koorrlinatensystem. Der Ursprung Liegt in d.er Mae des

Y Propellers. Die positive x-Achse zeigt entgegengesetzt zur Fahrtrichtung z

9) arc Wink-elkoordinate in der yz-Ebene des xyz- Systems

V arc desgl. in der xz-Ebene

(5 arc desgl. in der xy-Ebene

r M, Radialkoordinate in der yz-Ebene

T. = FIR .desgl. dimensionslos

} Elementarkoordinaten in der Tangential-Ebene auf dem Radius F

R = D/2 in Propeller-Spitzenradius, Radius der Propeller-Ummantelung

ro m Propeller-Nabenradius

1(F) m Profillange auf dem RadiusF

fl i (F) arc hydrodynamischer Steigungswinkel a. d. RadiusF.

a (F) arc geometrischer Anstellwinkel a. d. Radius 17

HID mittleres Steigungsverhaltnis des Propellers

falF =- Flachenverhaltnis des Propellers

z Fliigelzahl des Propellers

L -ni Lange der Propeller-Ummantelung

A = LID Seitenyerhaltnis der Ummantelung

v (F) m/s resultierende AnstrOmgeschwindigkeit a. d. Radius F

frequenzen

zuriick

-=

(12)

262 Gedanken zur Frage der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers und der Wellenleitung u, m/s Fahrtgeschwindigkeit des Schiffes, ungestorte Anstromung

uz m/s Axialkomponente der Geschwindigkeit

no, m/s Umfangskomponente der Geschwincligkeit

zluz, mis n-te harmonische Axialkomponente des Nachstroms i. d. Propellerebene zlum mis n-te harmonische Umfangskomponente des Nachstroms i. d. Propellerebene

e kp s2/m4 Dichte des Arbeitsmittels

t s Zeit

It = v1/2 v reduzierte Frequenz

co (==- V) 1/s Kreisfrequenz der Propellerclrehzahl

v 1/s Kreisfrequenz der Schwingung

V E 1/s Begegnungsfrequenz bei Fahrt im Seegang

2 m Wellenlange

h m Wellenh8he

zw m/s Vertikale Komponente der Orbitalgeschwindigkeit am Ort des Propellers

s m/s Tauchgeschwindigkeit bei Faint im Seegang

vs arc/s Stampfgeschwindigkeit bei Fahrt im Seegang

xo ra

Yo na

zo m I Amplituden der erzwungenen Schwingungen des Propellers in allen 6 Freiheitsgraden,

coo arc (z. B. x (t) = xo exp (i v t))

Vo arc

60 9ZC

d Pi (F, t) kp instationare hydrodynamische Normalkiaft an einem Fliigel-Element des Propellers a. d. Radius F

K (t) dim. allgemeine Bezeichnung fur hydrody-namische Wechsellasten am Propeller C s = Sleu02 D2--'s Schubbelastungsgrad des Propellers

S kp Propellerschub

F', F" dim. Real- und Imagin5,rteil einer komplexen GroBe F = F' -I- i F"

8. Schrifttum

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1[1]

[14]'

.

(13)

Gedankent zur Frage, der hydrodynamis'ch erregten 'Schwinungen des Propellers und der Wellenleitung :263' Anhang

9.1 Hydrodynamisehe Triigheits- mid DiimpfungsgroBen bei Nickschwingungen des Propellers in der xz-Ebene

In dem in Abb. 2 dargestellten schiffsfesten Koordinatensystem xyz bzw. xrq, wird der

Pro-peller in der xz-Ebene urn den Winkel (t) in positiver Richtung ausgelenkt. Ein auf dem Radius

r I?) liegender Fliigelschnitt nimmt dann bei einem Umlaut des Propellers im Koordinaten-Vt(t)

1Propeller- fbene ((RE)

Abb. 4. Nickschwingung in der xz-Ebene: Darstellung der Flagelbewegung bei einer Propellerumdrehung.

system xrT fiir = 0, n/2, r und 3 n/2 die in Abb. 4 angegebenen Positionen em. Es zeigt sich, daB die Bewegung des Flagelschnittes durch eine Parallelbewegung, der eine um 900 phasenverscho-bene Drehung urn die ,Erzeugencle` iiberlagert ist, dargestellt werden kann. Da die

Sehnenmittel-punkte der Flugelschnitte out den eitizelnen Radien eines Fliigels im allgemeinen nicht auf der Erzeugenden liegen (skew), wird (lie Drell ung urn die Erzeugende durch eine Drehung urn den

v(F)

t(f.)

,Erzeugencle"'

Mile Wee

Abb. 5. Luge der Elementarkoordinaten er7-1

Sehnenmittelpunkt und eine Parallelbewegung desselben dargestellt. Die Amplitude der Parallel-bewegun.g ist von der Drehamplitude des Flirgelschnittes und dein Abstand seines

Sehnenmittel-punktes von der Erzeugenden abhangig. Abb. 5 zeigt als Beispiel die Lage der Sehnenmittel,

punkte (F) im Falle der Wageninger B-Serien (Mittelwerte). In Abb. 6 sind die

Bewegungs-zustande des betrachteten Fliigelschnittes fiir = 0 (reine Parallelbewegung) und fiir = .77/2

(Parallelbewegung mit iiberlagerter Drehung urn den Sehnenmittelpunkt) in einem nur fiir diesen 9. F (= v(T) 0 42 44 (r). a8

=

(14)

264 Gedanken zur Frage der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers und der Wellenleitung

Flagelschnitt giiltigen rechtwinkeligen Elementar-Koordinatensystem (F) (F) angegeben. Die

n-Achse und die x-Achse des xnp-Systems schlieBen hierbei den hydrodynamischen

Steigungs-winkel (F) em.

Lautet das Bewegungsgesetz fiir den Propeller in der xz-Ebene v (t) = exp (i v t)

so kann unter Beriicksichtigung der Abb. 4 bis 6 und unter Berficksichtigung der

Propeller-Drehrichtung (entgegengesetzt der positiven Richtung von 93, d. h. q) cot) far die

Normal-komponente der Bewegung des betrachteten Fliigelschnittes folgender Ausdruck angegeben

werden

(vo, F, t) = (F, 9)) exp (i v t) '1"iG (F, 9)) E (F) exp (i v t) (9,1)

-

-(yo R F cos (F) cos cot Tpo 1 (F) V) sin co t) exp (i v t) vo

1 (F) (F) sm t exp (i v 1), (a (F)<1 0). hLage der Erzeugenden" ,e(;) L(f)3o(1) 7.47 to0')

Abb. 6. Nicksehwingung in der xz-Ebene: schwingendee Fliigelelement.

Per erste Teil dieses Ausdruckes entspricht der resultierenden Parallelbewegung des Engel-schnittes und der zweite Teil seiner Drehung urn den Mittelpunkt der Sehne. Mit

exp (i, v t) cos co t = 0,5 (exp (i [v co] t) exp (i [v co]t))

und

ergibt sich aus (9.1)

(vo, F, t) = 0,5 vo [ ( R F cos (F) i (F) (F) exp (i [v co] t)

(R cos 13i (F) i (F) (F)) exp (i [v wit)] (9,2)

+ 0,5 vo i (F) (F) (exp (i [v co] t) exp (i [v ± co] 1)).

2

Es wird nun em n Element eines Propellerfliigels mit der Lange 1 (F) und der Breite dF be-trachtet. In erster Naherung kann dieses Element als Tell eines diinnen und ebenen Trag-fliigels mit sehr groBer Spannweite angesehen werden (z. B. [2]). Mit Hilfe der Ergebnisse der zweidimensionalen Theorie der instationaren Tragfliigelstromung [16, 17] lassen sich dann

Beziehungen fiir die am Tragfliigel-Element wirksamen Elementar-Normalkrafte dP,,/ (F, t) sowohl

fiir den Fall der Parallelbewegung als auch fiir den Fall der Drehung urn den Sehnenmittelpunkt angeben. In allgemeiner Form lauten diese Beziehungen fiir die Parallelbewegung mit der

Amplitude n, (F, cv)

dP,(F,t)= ev(F)2 9F (F, (p) RIF Cu) exp (i 8F (u)) exp (i V 1)(1F

und fiir die Drehbewegung mit der Amplitude ciG (F, 9)) (9,3)

1

d PriG (F, t) = v (-r)2 c 7G (F, co) -2- (F).rc R G Cu) I exp (i 15,G Cu)) exp (i v t) d F,

wobei 1u (F) = vi (F)/2 v (F) ist. Die Funktionen IF Cu)I (y) 'OF Cu) und G Cu) sowie die

positiven Bewegungsrichtungen sind in Abb. 7 dargestellt,. Die formalen Beziehungen fiir diese

Ausdriicke lauten

exp (iv t) sin co t = 0,5i (exp (i [v to] t) exp (i [v co] t))

In der Darstellung in Abb. 7 wurde der positive Drehwinkel entgegengesetzt der mit Hilfe der Abb. 2 fest-gelegten positiven Richtung von gewdhlt. Die Griinde fiir diese MaBnahme sind rein formal. Im Rahmen der Untersuchungen des vorliegenden Abschnittes ist dann 19G (I1) durch19.G Cu) zu ersetzen (vgl. auch Abschn. 9.2).

co

=

+

(15)

Gedanken ,ziir Frage der hydrodynamisch erregtert Schwingungen. des Propellers und der Wellenleitung 265

F(ti) ekp (i F Cu)) y 'Cu T" Cu) i <1 + 11' 00) (9,4)

und

LOCu) exP (2:8G -(1-0 T"(u)

<'4 (1 ±

'(14)) T" (70>

(T' Cu) mid T".(4)

Mit Hilfe der Ausdriieke (9,3) ergibt sich fiir das Bewegungsgesetz (9,2). die resultierende mentar-Normalkraft fiir den q-ten Fhigel des Propellers zu

I ,

d Pv(q) yo..n R v v92f(RF costh, '(F) + I:-2 CF) 4o,(7.)1.) 01) exP OF 0.0).exp [v (1)11)

22 20 18 16 a-4 2 0 0 ,g5 F(,,a)-11(141exp.(i.79;414) 6114-15u/A exP.(i0.6C11)) 05 W 15 24 25 20 .2,5 40 45 0 45 1,0 15 2,0 25 20 2,5 40 45

Abb. 7. InstationAre .Amplituden-Funktionen fiir Quer-:,lund'Drehsehwingungen eines Tragfliigels mit groBer Spannweite.,

+

(RFcos 13'i (17) (F) $o (P) )' F (Y2)11exP(iFItta2))exP -I- ad ()

(F) (i G F exp(i4G Cur) + 7) exp (i co): t),

(p2) exP 00002) + exP (i [v Ito.] t) (9,5a)

v

I,

(Or:

v(F)1 2 - v q) 2 v

+ coa) 1

prid ft2 (F) 2 (F) =- (F) 2 (FY.

Fiir die weiteren Untersuchungen ist die folgende Darstellung. der Elementarkraft dP(q),(F, t)

besser geeignet

d P(q) (F, = yo,( d (F) exp, (I == co] t) d (7--)exp [v co]1))

mit

,d. 07(F) = kj A (F) exp A (F)) F Oh) exp t9-F (pi)) +

± B(F), I exp(i B)ha Oh) I exP(i0 (Pi) i a)) d F

und

d^ Pv(2) (F), = (IA (F)Fexp

Ci8A

'(F)) I, F (fit2)1I exp (i F (P2))1 (9,5b)

B (F),1 exp 4B) IG(PO I exP (PO 7r)r) d F

wobei

14

-771WA

f5

rif

III

W A I

t

FA

IA

Fa

11

ric,,,,),,

.1,,,),

Er

WI

MMI

iar

Igl

15(11)1 r

'

i

II=,

I 1 I I (P) vgl. [16]). Ele-(F,t) (i (1

-0 i (i i Cul) i [v 0 i 7r) d 1 = v = t) = P,(') [v P(2) (i = (i (i + =

(

+ (1'00

,

/

/ f14 8

(16)

266 Gedanken zur Frage der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers und der Wellenleitung IA (F) v (F)2 (R F cos fii (F))2 1 (F) (F)) I B (F) I = (F)2 R (T) (F)-0 (F) A (F) = arc tan( R F cos th (F) OB

Die Elementar-Normalkraft wird nun in eine Axial- und eine Umfangskomponente zerlegt. Mit Hilfe der Abb. 6 ergibt sich die Elementar-Axialkraft zu

d Px(q) (F, t) = d p(q) (F, t) cos [3, (F) (9,6)

und die Elementar-Umfangskraft zu

d P() (F, t) = d p(q) (F, t) sin fl z (1').

Die Elementar-Nickmomente um die y-Achse und die z-Achse (vgl. Abb. 2) ergeben sich durch

Multiplikation der Elementar-Axialkraft mit den Projektionen ihres Abstandes von der Propeller-mitte in der xz-Ebene und der xy-Ebene

d M y(q)(F, t) = d z(q) (F, t) R F cos 9,

und

= d P 71(q) (F, t) cos /3, (F) 11 F cos (p (9,7)

d .111z(4) (F, t) = d x(0 (17, t) R F sin 9,

= d P(Q) (F, t) cos /3i (F) R F. sin .

Das Elementar-Drehmoment folgt aus der Elementar-Umfangskraft und ihrem Abstand von der Propellermitte zu

d M(Q) (F, t) d p(q) (F, t) R

= d p(q) (F, t) sin /3i (F) R F. (9,8)

Schlialich ergeben sich die horizontale und die vertikale Elementar- Querkraft zu

d p(q)

t) =

d P,(q) (F, t) cos .72

= d Pv(q) t) sin Ai (F) cos co

und

d Pz(g) (F, t) = P,) (F, t) sin q) (9,9)

= d IVO (F, t) sin th (F) sin cp.

Unter Beriicksichtigung des Propeller-Drehsinns und mit

exp (1 [v co]t) cos co t = 0,5 exp (i v t) (1 + exp (± i 2 CD t)) exp (i [v F co] t) sin co t = ± 0,51 exp (iv t) (1 exp (± i 2w t))

kiinnen folgende Ausdriicke fiir die sechs Elementar-Kraftwirkungen angegeben werden :

Axialkraft

d PP]) (7, t) = yo exp (i v t) (d P,(,) (F) cos fl (F) exp ( 1w t) d (F) cos 13i (F) exp (1 t)), Drehmoment

d M(v) (F, t) = exp (iv t) B (d P,(1.) (F) sin th (F) Fexp ( iw t) + d P,(2) (F) sin 13i (F) F exp (i t)),

Horizontale Querkraft

d p(q) (F, t) = 0,5 tpo exp (i v t) (d P,(') (F) sin th; (F) + d 13,7(2) (F) sin fii (F) (9,10) d P,(') (F) sin th (F) exp ( i 2 co t) + d P,(2) (F) sin fl i (F) exp (i 2 co t)),

Vertikale Querkraft

d Pz(q) (F, t) = 0,5 ?Po exP (iv t) ( Id P,(1) (F) sin /3i (F) + Id .P,(2) (F) sin th (F) + + i dPv(') (F) sin f3i (F) exp ( 12 cut) i d 7/(2) (F) sin j9 (F) exp (12 co t)), Vertikales Nickmoment

d M5() (F, t) = 0,5 ipo exp (i v t) B (d (F) cos fl (F)F + d Pii(2) (F) cos th (OF + d P,(1) (F) cos th (F) F exp ( 12 cut) d (F) cos th (F) F exp (12 co t)), Horizontales Nickmoment

d (F, t) = 0,5 yo exp (i v t) R ( i d Pv(i) (F) cos j (F) F + Id ,(2) (F) cos th (F) F +

+ i d ',(') (F) cos th (OF exp ( 12 cut) Id v(2) (17) cos j9j (F) F exp (i 2 cut)).

=

= (F, (F, v(2) .= + 1V2) Mz(q) =

(17)

Gedanken Zur Frage der hydrodynamisch erregten Sehwingungen des Propellers; und der Wellenleitung 267

Es werden nun ,die Elementarkraftwirkungen frir alle z Fliigel des Propellers unter

Berficksich-tigung der Phasenwinkel zwischen den zeitlichen Kraftverlaufen an den einzelnen Fliigeln

sum-miert. Wegen

n ----, 1 1 ' = 1,, 2,3 .... 27 exp

'a

I. 1,.[- z1 2 n ± cotil ) =0 fiirz * InI c Ih= 1,2

! , ,, 3 ... \,

und well im vorliegenden Fall k _.< '2 ist, verschwinden bei der Summierung frir alle Fliigelzahlen

z > 2, d.. h. frir normale Schiffspropeller, die Glieder mit dem Faktor exp(i kw 0. Dann ist

d P x V, 0 =Ed P x(q)' (F, t) exp (i k q 1 2r)=-- 0,

a = 1

d M (F, t) =0,

(d p(1) (F) d P (F)) sin gi (F), d P y, (F, t) = 0,5z zpo ,exp .(i v t),

d Pz (F. t) = 0,5 z ?p,) exp v/) (d y0,1 (F) d PP) J(F))k sin (F) exp '7.4) (9,11)

d" M (F, = 0i5 z exp; (i" t) I? (d PpY (F) d P 02Y ()) cos fli. (F)F, d Mz (F, = 0,5 z yo exp; (iv R (d po ,(F)d P(2) (F)) cos Pi; exp

Es zeigt sich bier, daB keine hydrodynamischen Kopplungen zwischen den Langs- und Dreh-,

schwingungen einerseits und den Nickschwingungen andererseits auftreten.

Fur die weiteren Untersuchungen wird vorausgesetzt, dr1.1.3 ,u, = ,u,2 = ,u ist (vgl. Gl. (9,5a)).

These Voraussetzung trifft im so besser zu, je groBer die Kreisfrequenz der Schwingung v im Verhaltnis zur Kreisfrequenz (ler Drehzahl w ist. Fur die durch ungleichformigen Zustrom zurn Propeller erregten Quer- und Nickschwingungen tritt, abgesehen von Sonderfallen, als unterste Erregerkreisfrequenz v = zw auf. Je nach der Fliigelzahl 1st daher die unterste Erregerfrequenz

drei- bis fiinfmal groBer als die Drehzahl. flier dUrfte der Fehler durch die Annahme =- ,u2 vernachlassigbar ,sein. Werden die Quer- und Nickschwingungen des Propellers jedoch durch

elastische 1Schwingungen des Schiffskorpers, (lurch Schwingungen der Wellenlager o. a.

hervor-gerufen, so kOnnen auch Erregerfrequenzen in der GroBenordnung der Drelizahl auftreten. Hierbei ist infolge der genannten Voraussetzung mit Fehlern im Ergebnis zu rechnen, die urn so. groBer sind, je kleiner die Erregerfrequenz im Verhaltnis zur Drehzahl ist. Im Rahmen der

vor-liegenden Arbeit wird nur der Fall v mzco (z. . 3 und m 1, 2, 3, . )ibetrachtet.

Mit den in (9,5b) eingefiihrten Abkiirzungen und mit r9'B = n/2 wird

d p(1) (0

d(2)

= 2 $ A (0 I IF Cu) exp ;OF Cu)) cos(F)d F

d P,IX1)1 (F) d P(?) = 2'(I A (F.) F exp (i F Cu)) sin 'OA (F)

+.11 B (F) I11 G ft) exp (115,G (it) + it)) exp (i ar/2); d .Mit (9,12) folgt aus (9,11),

d (F, t) = exp (iv t) z sin (F) I A (F) F COS 75I A (F).D F (it) expl(i6F Cu)) d F, d P, (F, t) yr, exp (iv t) z sin 13, (F) ( A (F) I sin OA (F) IF (it) exp (ti lp (f) +

I B (0 1 G (u) I exP (i 70) d F, (9;13)

d M y (F, = tpo exp (iv t) z RF cos /3i (F) I A (F) I cos A (P)I F (p);11exp Ci Icy. Cu)) dF,

d M (F,, = tf0exp (iv z R F cos )3i (IA (F) I sin° A (F) IF Cu) 1exp (i 0 F Cu)) -I-J B (0 I 0 Cu) F exP (i 8 Cu) i dF.

Urn spater die hydrodynamischen TragheitsgroBen und die hydrodynamischen Dampfungen

bestimmen zu konnen, sind die Realteile der Beziehungen (9,13) durch Division mit yo exp (i vt)I auf den Schwingungsweg und die Imaginarteile durch Division mit i exp (i vt) auf die Schwin-gungsgeschwindigkeit zu beziehen hierzu [13])., Die Integration der sich dann ,ergebenden

Ausdriicke fiber dem Radius, wobei nach (9,5a) ict (F) lot, liefert

Ci'w Cu) = z f sin 13i (F)I A (F) cos /9'. 4 (7)1 F Cu) I cos; OF Cu) d F.

70, und

z

1,e) sin fli (ill A ()iI cos A () F Cu) II sin OF (11Y d F

v

.iCicifr Cu) = z.11.sin flu (F)'( A (i)II sin O(P) F 'Cu)1 cos' #F 'Cu)' (F) I11 G Ilc°s (/G(/2) d F ,

Z 1

C&o. :04) sin 13C(F) (II A (F)ii sin A (71 r 'Cu)II sin f + F (4,12) \ (i , t) t) t) (F)

;).

=

. (F) (i (F) I I I i F. P I = I I t) I t) t) I (vgl.

=

I C = I I

+ B

+ = I

(18)

268 Gedanken zur Frage der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers und der Wellenleitung

+ B (F) I I G I sin (6a Cu) + Ot),) d

CA:ry,fr Cu) =zRfF cos flj (F) IA (F) II cos A (F) IFW I COS ?"F Cu) d F,

C Cu) =z RF cos flj (F) I A (F) I cos D (F) IF Cu) I sin OF d F,

v

(y) = zRiFcos

(F) (IA (F) I sin 0A(F)IF (P)ICOS'OF(Y)+ I B (F) II G COI cos PG Cu) :r)) d F,

C) =

Z

R f F cos fli (F) (I A (F) II sin 19 A (F) I F (P) I sin "OF (IA) -1-V

+ I B (F) I 10 Cu) sin (OG Cu) :0) d F.

Unter Beracksichtigung von (9,5b) kannen die in (9,14) enthaltenen Produkte I A (F) I cos VA (F)

und I A (F) I sin VA (F) wie folgt dargestellt werden

I A (F) cos #, (7) = I A(F) Vi 1 ± tan2 'OA (F) = v (62 .7r R2 cos Ai (F) 2 und 1 tan 19A (F) IA (F) I sin OA (F) =- I A (F) Vi 1 + tan' 8A (F) = v (F)2 R 1 (F) 0 (19 . 4

Mit diesen Ausdriicken, mit B (F) entsprechend (9,5 b) und mit v = 2 du (F) v I 1 CO ergeben

sich schlieBlich die Beziehungen fiir die hythodynamischen Tragheitsgrollen ah und fiir die hydro-dynamischen Dampfungen bh, die bei einer erzwungenen Nickselawingung des Propellers in der xz-Ebene wirksam sind, zu

1

F (F)) I cos OF (14F)) d F, D2 z

Cu) ah(yvi-) ='39 11(F)2 F sin (F) cos /3, (F)

,t1 (F)2 3,2

CAN Cu) bh(vik)

zf

(F) v (F) F sin 13i (F) C°S (F) I F (Y(F)) I sin 9F (A(F))d r-,

16 (F)

(J.'rzw Cu) (zo 7rD z sin (7. _ I F WO) I cos OF (MP))

ah 1 (r)2 sin f3i (r) (r) v2 32 (F)" G Cu()) I cos (D'G (1,(F)) 7,) d r, -p (F)2 Cu) ,--- bh(z0 Ckvw Cu) ah

()

1

zDz f

(r)- (7) sm 13, (F) I F (F)) I sin 4F (p(F)) 16 (F) (9,15) I (P(F)) I sin (Oa (tt(F)) ,2))d (F) Fe n D3 z

f

(r)2 F2 _ I (/2(F))(F)) 002 .OF (P(F)) d F cos2 (r) 64 (F)2 g n D. z F (P(F)) I sin /5`r (P(F)) C =- bh(11,11') = 1 (F) v (17) F2 COO (F) d r 32 (F) To

Clivp Cu) ahoo 617'64D2 z 11(F)3 F cos 13i (F) (F) I -F (P(F)) I COS 'OF (It(F))

3,2 (F)2 I G (m(F)) I cos (Oa (12(F)) + ) F , (F)2 (9,14) (u) I I

+

1, I 1 I + 1

+

G F.,, 1 1

f

I

=

(19)

Gedanken zur Frage der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers und der Wellenleitung 269.

3.,

- I ,(11(F)) sin OFCUM) ±

C zy,, (1) 7- bh(60r

enD z

f (FP

v (F) F cos 13i (F (to(r)

32 ti

. 110 Cu (F)) I sin ,(6G (p (F)); a)

clF (F)

In der GroBe p (P) i'st die Erregerfrequenz v enthalten. Es wurde vorausgesetzt da,B r = mzto ist, d. h. daB nur Harmonische der Drehzahl des Propellers als Erregungen wirken. In den Aus-driicken (9,15) ist daher u (F) durch mzit (F) zu ersetzen. Fiir eine vorgegebene Drehzahl des

Propellers (co v) konnen dann die bei den einzehien harmonischen Komponenten der erzwun-genen Schwingung wirksamen hydrodynamischen Tragheits- und Dampfungsgraen für jede

Ordnung der Erregung berechrtet werden.

Um die bisher erhaltenen Ergebnisse allgemein anwendbar Zu machen, weiden hit Folgenderi

einige Naherungen eingefiihrt, die vom Berichter bereits bei der Ableitung der allgemeinen

Aus-driicke fiir die hydrodynamischen Tragheits- und DampfungsgroBen bei den Langs- und

Dreh-schwingungen verwendet wurden [13]' . Es handelt sich um Naherungen fiir Propeller mit na,hezu

elliptischem FliigelgrundriB und Steigungsverhaltnissen im Bereich 0;6 HID S 1,0. Die

Naherungsbeziehungen lauten (F) co fr 4D 1 1(r) z,

F T

ni z du (F) 4 m 1/71 Fa mz ,um 3,77 F-1 .cos (F) ,2p2 4. 0,64 1 H )5 {7.1 D Va2 F2 + 0,64 D t

Der Abstand der Sehnenmittelpunkte von der Erzeugenden ergibt sich mit Hilfe der Abb: 5

naherungsweise zu

08' F4 024. (9,17)

Fur die ere ,Ordnung der Erregung (m 1) und fir normale Propeller (Fall' > 0,35) ist der

Mittelwert mzp, m groBer als 1. Es ist daher moglich, die exakten Ausdriicke far I F (kt) 110 Cu) F Cu) und iG nach Abb. 7 bzw. Gl. (9,4) im Rahmen der allgemeinen Naherung durch

asymptotische Ausdra eke zu ersetzen:

F Can -

(i)2. G (11(F)) I 1,5 IL (F) 1 tan 6F (A19) (p) tan (19'G Ca(F)) + n), 1,5 p (F), tan (19,G (p(F)) p (F)

Damit konnen die in (9,15) enthaltenen Funktionen von y mzitz vereinfacht werden zu

F (mzp (F))I cos 79,F (mzy (F)) mzp (F)

mzp (F))2 Y1 + (mzp (F))2

IF (mzy(F)) I sin OF (MZ/Z ,(F)) mzp 0-11

mzp (F) Y1 +(mzp

1!_G (Inzit (0)1 cos (OG (mzii (0171- a) 1,5

(9,18)1 (flztu (r))" mz,u (F) I/1 + 2,25 (mz,u (F))2.

>

1 In dieser Arbeit werden nahere Angaben iiber die Zulassigkeit der eingefiihrten Naherungen gemacht,

(9,16); = F (F) I v sin (F) 1,5 I I (F))2 1).

(20)

270 Gedanken zur Frage der hydrodynamisch erregten Sehaingungen des Propellers und der Wellenleitung1

mzy (F) 1/1 -I- 2,25 (mzy (F))2 1,5...

Mit den Naherungen (9,16) bis (9,18) folgt aus (9,15)

ahoo eD4 -(Fa)2f (F F2) d F,, 2 z.

D F

FO bh(Yifr) IT la r _211 1 8

D F

F-1dF

Ta ah(zo

e 2.02 Ha \ 3

1 Z2

D\FFIP

FG 0,24 F2) (1. 1

bh(z0 = - e9D4 DH- (I'Fa )12co

f(

0,8 F8' ± 1,74 F2) (4- 1) dF,

ahcifro e 17r J1 a \2 r (F3 _ F.4) d 4z

\ F IJ

bOik)I o D5 Fa CO f F4 1/-1 1 d 16 F . Ta ah0110

"f)5

If

(0,8 F8 24 /74)

ly d

F

z-G (444, (F)) I sin (60 (InqzCO) ± .7r)i 225 may (F) 1 5,

mzy (F) ± 2,25 (mzy (F))2

110 (ntz,a (F)) I sin PG (nizit (0) 2,25 mz,u (F)

3/2

d

bli(40 = zD5 (Fa ICU f( 0,8 F8 + 1,74 F4)1 1)1c1F.

Die Integration der vom Radius abhangigen Faktoren liefert. für F;, = 0,25 die folgenden

endgiiltigen Ausdriicke 1 c4h(Ylk)r= 00703 ezD4 HD ( 1;a )11,,

H F

b 010 = 0,023.1 e D4 --

D F

e, D4 H Fa \ 3 lah(*) = 0,0408 z2 D kF e

HiFar

b2(*) = 0,1128 z

D\FI

aelnlf) = 0,0123 e rz1)5 F; )29 (9919) bh(0111) = 0,005* e n D5 IF co, a(8) = 0,0030 9 7rz2D5 bh(8K = 0,0186 e 'zi)2(F; )12w.

9.2 Hydrodynanifsehe 'Triigheits- und Diimpfungsgrollen bei NickschWingungen des Propellers in der xy-Ebene

Der Propeller wird nun in der xy-Ebene des schiffsfesten Koordinatensystems xyz um den

Winkel 6 (1) in positiver Richtung ausgelenkt .(Abb. 2). Fin auf dem Radius liegender

I 2 z = F, , 1 /2 1 = D4 (Fa )3 = F

(21)

Gedanken zur Frage der hydrodynamisch erregten Schwingtmgen des Propellers und der Wellenleitung 271

schnitt nimmt in diesem Fall bei einem Umlauf fiir 95, = 0, 7c/2, x und 3 7c/2 die in Abb. 8 gezeigten

Positionen em. Auch hier lath sich die resultierende Bewegung des Fliigelschnittes durch eine Parallelbewegung und eine Drehung um den Sehnenmittelpunkt darstellen, wie Abb. 9 zeigt.

Lautet das Bewegungsgesetz des Propellers in der xy-Ebene

(t) exp (i v t)

.5(t Y

v(f)

\ It° x

\--Propeller -ibene (PE)

Abb. 9. Nickschwingung in der xy-Ebene: schwingendes Flagelelement.

Abb. S. Nickschwingung in der xy-Ebene: Darstellung der Fliigelbewegung bei einer Propellerumdrehung.

und wird, wie im Abschn. 9.1, v > co vorausgesetzt', so ergibt sich das folgende Bewegungsgesetz

fur den betrachteten Fliigelschnitt (Normalkomponente) 1

n(oF, t) =o (R F cos th (F) sin T, (F) 4 (F) cos 9, + (F) (F) cos 92) exp (i v t), (a (F) 0).

Der Ausdruck fur die dadurch hervorgerufene Elernentar-Normalkraft am q-ten Fliigel lautet

d Pii(q) (F,t) = d sin (i) d Pv, cos d P cos q) wobei

d P b exp (iv g R2 v (F)2 F cos 13i (F) F (y) I exp (i Cu)) d F, (9,20) d P712 = 60 exp (i v t) gnliv (F)2 (F) $0 (7) F (y) I exp (i 'OF Cu)) d F,

d = exP (iv i) e B v (F)2 (F) Cu) I exP (i (Y))d F.

Hiermit folgen die sechs Elementar-Kraftwirkungen zu (vgl. (9,6) bis (9,9))

d Px(q) (F, t) d P211 cos fi (F) sin 9, (d P 772+ d Pip) cos 13 (F) cos q),

d s(q) (F, t) = d P, R F sin 13i (F) sin g) (d d Pip) R F sin th(F) cos 9), d p(q) (F, t) = d Pill sin (F) sin 9) cos 9) (d d F713) sin /3i (F) (0,5 + 0,5 cos 2 q)),

fIFF

to07) Gage der Erzeugenden"

1 Da d.iese Voraussetzung hier bereits zu Beginn der tberlegungen eingefiilut wird, gestalten sich die folgenden Rechnungen Ubersichtlicher als im Abschn. 9.1.

2 Fur den Fall der Nickschwingung in der xy-Ebene entspricht der positive Drehwinkel in Abb. 7 der positi-ven Richtung von 6, so daB die Darstellung der Abb. 7 unmittelbar verwendet werden kann (im Gegensatz zu den Betrachtungen im Abschn. 9.1).

.70 G 2 t-)A 8F = = P,12 tf(t)F.Rcosfi(f)

(22)

272 Gedanken zur Frage der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers mid der Wellenleitunw

d P340 (F; t) = d P,11 sin fl (F) (0,5. 0,5 cos 2 (p) (d P d Pe) sin /3,y (1) cos sin .c7;,

My(q) = d P 271 1/1 cos pi (F) sin cos 99 =I- (cl P + Id P,) cos (F) (0,5 + 0,5 cos 2 0,

d M 2(0' t) = d P, R cos (F) (0,5 0,5 cos 2)' (d Py2 d Py3) RFcos MI cos go sin p. Bei der Summierung iiber die einzelnen Flugel versehwinden die von g9 abhang,igen Faktoren,

und es ergibt sich

d P x(F.,,t) =0,

d M x (F, 1) = 0;

d Py(F, t) = 0,5 z (el P,72 d Pv) sin Pi (F), d Pz(F, t) = 0,5 z d Pt), sin 9j(F),

d. My (F, t) = 0,5 z (d ,12 d Py3) R cos Ai (0,

,d 312 (F, ,t) = 0,5 z d Py1 R 17 cos pi

Werden hierin die vollstandigen Ausdriicke fiir die Teilkraftwirkungen ,entsprechend (9;2%1

eingefiihrt, so wird

ciPy(F, t) = 0,5, 60, exp, (i v t) z r Ru(0275-1 (F) (F) !IF() I exp (i OF (p)) + ()) I exp(0G (du)) sin (F) c1F., d P, (F, t) = 0,5 60 exp(iv t) z g n 1?2 v (02 IF (,u) II exp (u))i cos 8 (T),sin 13i (F)cl

d My (F , t) 0,5, do exp (i v t) z e re R2 v (r) '($ (F) F (g) exp (fa, F

+

(921)

+ G (p)1 exp (p))) F cos (F)

d M (F; t) -= 0,5160 exp(i V' t)Z e v (F)2 I (p)Illexp (i'OF (p)) F' cos' (F) d

Zum Bestimmen der hydrodynamischen Tragheits- Und DiimpfungsgroBen sind die Realteilei

der Beziehungen (9,21) :mit 1,2ao exp (i v t) und die Imaginarteile mit i v60 exp (i a t) zu,

dividieren und die dann entstehenden Ausdriicke iiber dem Radius zu integrieren. Wie im Fall

der Nickschwingungen in der xz-Ebene ergibt sich

Py 8 Cu, g)

v 60 exp (i v t)

= ah(V8) D (Ff sin flu (F) (F) F (p(F)) I cos t,F CU (F)) (0i22)'

2 , 32 (F)2

77d

+ I0 (1(F)) I C(OFS)219v(P (0) )d !IF (IL (P)) 'I sin OF (F))P;a

(y, 1) 00.) 2 71 D "F.)2 (.7)

i v 60 exp (i v t) 16 tt

G Cu (F)) I sin Bv '(F))' d F,

(F) 11,11'Cu (F)) [cos OF (IL (F))

a v, 11;8 CU, (z8) = e 1)2 Z f (Fpyisin (F)., cos fli (F)

,

(F)2

exp (i v h 32

P ;a (II,F (lc ,(01 II sin F Cte (F))

-bh08)' n D2 z f (F) v (F) sin pi (F) cos (F). d r,

iv 60exp(iv

16 (F) 1 8 (p, t)

ah0

fr(5) = e n 64D2 Z f F. cosfl-(F)(e (F) (F)'F (IL (F))1 COS 19F (0) v2 60 exp (i v t)

1110 ICu (MI cos OG, Cu ") d

p (Fr

M; 8 (Y, I) 7,h(fr,4 7t D2 2 f (Fr v(T) cos fii (F) ..(F) I F i(IT I sin OF (1,1

(F)) i v 60 exp (i t), p (F) G(jt (F)) I sin 19.G (p (F)) F .(F) d (F, t) R F (F, F F (F). G F, (02 (p)) (ti d F, F. I + 1 P I (F) sin (F) (F) I I 1 v2 t) 1 F + 1 I 32 I I

(23)

Gedanken zur Frage der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers und der Wellenleitung 273 -211 t) = ah (8) e D3 z fl(r _)2 r- cos' (F) IF (F)) cos 6F (F)) d F, v. (5o exp (i v t) 64 1, (F)2 TO

M t)F (F))

(F)) I sin a fi, ( 1, bh(") f 1 (F)v (F) F2 cos 2 (F) v 60 exp (i v t) 32 (F)

Werden die Naherungen (9,16) his (9,18) eingefiihrt, so folgt aus (9,22)

1

,,,

2 g D4 H (Fa\3 r aho i =

z2

DkF) J

(0,8 F6 0,24 F2) (1F liP d F,

F.

bh(u8) e Da. H (Fa \2

et)f (0,8 F4 + 1,26 F2) (1 1) d F.,

2z D

F Fo ahoo

g D4 1(Fay f

_ r_ 2 z D k (r r2) d , 8 13 F 1 1 1 d F g D4 H Fa

r

18 Jahrb. STG. Bd. 57 ba(..5) = ah(") = e 1)5 n (Fa f(0,8 F8 0,24 F4) 1

-z2 F 1 bh(t") = e1)5 (F )2cof (0,8 F8 + 1,26F4) ( d F, 4z

h()

g D5 ,rc IF a \2

4z \F

f(F3F4) dF'

To 1 bh(88) e D165 n f F4v

-

1 d F.

Die Integration liefert fiir Fo = 0,25 die endgiiltigen Ausdriicke

ah(v6) = 0,0408 e D4 H (Fa )3 Z2 F ' b(0) 0,0981 e I:10 (Firy ), ah(z6) = 0,0703 Q 'z°4 H IFa)2 b/z(zo) 0,0231 e D4 1)-H .±,`F ah(s hi) = 0,0030 e D: Fc` )3, b/P8) = 0,0183 e D5 n ( fa )2(a z F ah(88) = 0,0123 e

n (Far

Z F ' bh(88) = 0,0053 g D5 n 1) d F, d F. (9,23) (sa

=

=

=

= )3

(24)

Abb. 11. Querschwingung in der xy-Ebene: schwingendes

274 Gedanken zur 'Frage ,der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers und der Wellenleitung

Hydrodynamische Tragheits- urn! D4nipitingsgroBen bei iQuerschwingungen ides Propellers

in der xy-Ebene I

Der Propeller wird in der xy-Ebene urn den Betrag y (1) translatorisch in positiver Richtung verschoben Fiir .einen Fliigelschnitt auf dem Radius F ergeben sich darin die in Abb.. 10 darge-,stellten Positionen wahrend einer Propellerumdrehung. Mit y (t) = yo exp (ii' 1), wobei wie-derum v > co sein soil, und tinter Beracksichtigung des hydrodynamischen Steigungswinkels i (F) lautet der Ausdruck fiir die Normalkomponente der Bewegung des betrachteten

Fliigel-schnittes (Abb. 11)

(yo, 9), = yo ex-p (i v t) sin j9, (F) cos coi (F), ", 0).

Kite Welle Pf.WY -Ty(t)

Zlo

Abb.. 10. Querschwingung in der xy-Ebene: Erarstellung der Fliigelbeweg-ung be! einer Propellerumdrehung.

Es handelt sich hier urn eine reine Translationsbewegung% Fiir diesen Fall ergibt sich an

einem Fliigelstreifen von der Breite d F des q-ten Fliigels entsprechend .G1. (9,3) bzw. Abb. 7 die folgende Elementar-Normalkraft

d p(o) (F t) = y exp7 .o v e v ()F2

Ri

sin Ai (F) Cu)exp (i, 19,F Cu))cos 9,d (924)

oder, in .abgektirzter Form,,

d P(q) (F, = d Py (F, cosy,.

Mit Hilfe der Elementar-Normalkraft konnen die sechs Elementar-Kraftwirkungen im xyz-System Ivgl. (9,6) his

(9,9)] angegeben werden

d Px(q) (F ,)d Py (F, t) CCI& fl i;(1.) COS. T,

d .111x0q) (F, 1) = Py(F, t)RF sin j (0 cosy',

d Py(q) (F, t) d P (F, t) sin,th (F) (0,5 + 0,5 cos 2 co)!, d (F,1) = d Pzi (F, t) sin (F) cos 9) sin cp,

d My( (Fi:t) = d Py(F,,t)R'F cos' j(F) (0,5 + 0,5 cos 2' q,), d Md(4). (F, 1) = ,d R 77"COS (F) coscosin y).

Werden die an ,allen Fhigeln des Propellers wirksamen hydrodynamischen Elementar-Lasten unter Berficksichtigung der Phasendifferenzen summiert, so verschwinden in (9,25) alle von cp abhangigen Faktoren (vgl. Abschn. 9A). Dann ist,

d Px(F, i) = 0, d .M x (17, 1) =10, d Py (F, t) = z0,5 d P (F,i) sin Pi (F), Pz (F, t) = 0, d My (F,, it) = z 0,5 /7571 (F, t) R F cos pi (F), d Mz (F, t) (925) 0,26). 9.3 t) =0 (i t) IF F t) t) = P2(i) P (F, t) = d = =0. 2

(25)

Gedanken zur Frage der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers und der Wellenleitung 275

Es zeigt sich hier, dull bei einer Translations-Schwingung des Propellers in der xy-Ebene nur Kraftwirkungen in dieser Ebene auftreten. Hydrodynamisch gekoppelte Schwingungen in der

xz- bzw. yz-Ebene werden in diesem Fall nicht erregt.

Die Bestimmung der hydrodynamischen Tragheits- und Dampfungsgrollen erfolgt wic bei den

in den vorangehenden Abschnitten betrachteten Nickschwingungen durch Trennen von

Real-und Imaginarteilen der Ausdriicke (9,26) Real-und Division mit v2 yo exp (i v 1) bzw. v yo exp (I, v 1).

Dann wird

1

P'y y Cu, t)

,,

e or Dz

I

2 F Cu_(F)) cos (F))

.n . / -) 1 ! OF Cu d -,

ah''

(r) si- 3 (r r Pa Yo exP (i v 0 16 ft (PP To 1 F

P; v (1A, bh(110

2nDz r 1

(F) v (F)sin,,fli(F) F (F)) sin (F)) d F ,

v yo exp (i v t) s

J

It (F) To .31" Cu t) V2 exp (i v t) ahW Q D2 z

r

t(r)- r cos (7) sin (7) F Cu (F)) 0058F F (F)) d 32 J (792

I Pr;(, t)

bh(0,)=

nD2z f

_ _ _

(r) v (r) r cos /6 (F) sin fli (F) x

i v yo exp (i 16

I

X F (du (F)) I sin F Ca (F))

Werden in diese Beziehungen die Naherungsausdriicke (9,16) bis (9,18) eingefiihrt, so ergibt

sich ah(") = ezI7)r3 (1, )2 (1-/)2 f

11d F,

iyo e D3 IH Fa

rill

d,,

4n \DI F

J r

F To aho.y) 6 D. H IF \2 r

2z DkF)J""

e H Fa 1 , 8 D ,

I

F2 V 77 1dF.

Die Integration liefert mit Fo = 0,25

e ah(t/Y) = 0,6363 D3 7C

( I2

/I) ) (7F1' N(YY) = 0,1536 eD 1 11 \ 2 Fa

\Dj Fw'

ah( 11) = 0,0703 eD4 H (F; )2, bh(010 =- 0,0231 e D4 --DH 1-F to.

9.4 Hydrodynamisehe Tragheits- und DiimpfungsgriiBen bei Quersehwingungen des Propellers in der xz-Ebene

Der Propeller wird nun in der xz-Ebene translatorisch urn den Bctrag z (t) in positiver Richtung ausgelenkt. Mit Hilfe der Abb. 12 und 13 und mit z (1) = zo exp (i v t) kann das folgende Gesetz

15. (9,27) (9,28) t) = 2) F

=

D =

=

I d vi)

=

=

=

(26)

276 Gedanken zur Frage der hydrodynarnisch erregten Schwingungen des Propellers und der Wellenleitung

fiir die Normalkomponente der Bewegung eines auf dem Radius F liegenden Fliigelschnittes

an-gegeben werden

7,1 (zo, F, q9, t) = zo exp (i v t) sin /3i (F) sin 9), (a (F) 0).

Mille Wee (kW)

77(4)

zho

.4-oder

a(F)

Abb. 13. Querschwingung in der xg-Ebene: schwingendes Flligelelement.

=-7T

TR?)

Abb. 12. Querschwingung in der x.i.-Ebene: Darstellung der Flligelbewegung bei einer Propellerumdrehung,.

Der Ausdruck fiir die dadurch hervorgerufene Elementar-Normalkraft lautet

d P1() ( F , 1) = zo exp (iv t) g v (F)2z R sin )3/ (F) IF 041 exP (i 'OF (It)) sin 92 c

d p(q) (F, t) = d P (F, t) sin 9). (9,29)

Damit ergeben sich die sechs Elementar-Kraftwirkungen

9(/)

im schiffsfesten Koordinatensystem xyz zu

d P(Q) (F, t) d (7, t) cos th (F) sin 9), d M

t)=

d P (F, t) .1? F sin fl i (F) sin 9),

d p(q) (F, t) d (F, t) sin f3 (F) sin 9) cos 9),

d p2(e) (F, t) = d F,, (F, t) sin 13 (F) (0,5 0,5 cos 2 9)),

d M(e) (F, t) = d (F, t) Ii F cos f1i (F) sin 9) cos q),

d .M,(q) t) = d P, (F, t) .1? F cos /3i (F) (0,5 0,5 cos 2 q)).

Die Summierung iiber alle z Flugel unter Beriicksichtigung

der Phasenwinkel liefert

d P,, (F, t) = 0, d M (F,t) = 0, d P, (F, t) = 0, d P (F, t) = z0,5 dP (F, t) sin i (F), d M, (F, t) = 0, d M (F, t) = z 0,5 d F,, (F, t) ii F cos 13i (F).

Wie der Vergleich der Ausdriicke (9,26) und (9,30) zeigt, 1st

(d P. (F, t))zo = (d P,, (F, t))210 and

(d M (F, t))zo = (d M y (F, t))yo.

Daraus folgt dann auch filr die hydrodynamischen Triigheits- und Dampfungsgr5Ben

ah(zz) = ah(10) = 0,6363 e

(ri (N2

z D F bh(zz) = bh(YY) = 0,1536 71,)3 ( HD )2 Fa 0) ah(8z)= ci,(0/) = 0,0703 e zD4 .11) ( -F; )2,

H F

bh(h) = v) .= 0,0231 e D4

B F w

(9,30) (9,31) z(t)sing;

=

(F, = P

=

)2 =

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